«Электронный нос» на основе экологичных микробных нанопроводов может совершить революцию в мониторинге здоровья

Ученые из Университета Массачусетса в Амхерсте создали нанопровод в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Его можно дешево выращивать с помощью обычных бактерий, и он может быть настроен на «обоняние» множества химических маркеров, включая те, что выделяются при различных заболеваниях, таких как астма и болезни почек.

Тысячи таких настроенных проводов, каждый для своего химического вещества, можно нанести на миниатюрные носимые сенсоры. Это даст медикам беспрецедентный инструмент для мониторинга потенциальных осложнений. Поскольку провода выращиваются бактериями, они органические, биоразлагаемые и экологичнее любых неорганических аналогов.

Прорыв, описанный в журнале Biosensors and Bioelectrics, основан на идее использовать биологический дизайн. «Человеческий нос имеет сотни рецепторов, каждый чувствителен к одной конкретной молекуле. Он намного чувствительнее и эффективнее любого механического или химического устройства», — говорит профессор электротехники и вычислительной техники Цзюнь Яо.

Биологический подход

Ключом стала бактерия Geobacter sulfurreducens, способная выращивать электропроводящие нанопровода. Однако она требовательна к условиям. Команда под руководством микробиолога Дерека Ловли и Яо пошла дальше: они взяли ген пилина, отвечающий за рост нанопроводов у G. sulfurreducens, и встроили его в ДНК повсеместно распространенной Escherichia coli.

Перед встраиванием ген пилина модифицировали, добавив к нему пептид DLESFL, крайне чувствительный к аммиаку — маркеру болезней почек в выдыхаемом воздухе. Генетически модифицированная E. coli начала выращивать нанопровода, покрытые этим пептидом. Из них собрали сенсор.

«Генетическая модификация сделала нанопровода в 100 раз более чувствительными к аммиаку, — говорит соавтор работы Яссир Лекбах. — Они работают намного лучше, чем сенсоры на основе традиционных кремниевых или металлических нанопроводов».

Принцип не ограничивается аммиаком. «Можно создавать уникальные пептиды, каждый из которых специфично связывается с нужной молекулой. По мере идентификации новых маркеров заболеваний мы сможем делать сенсоры с сотнями разных "обоняющих" нанопроводов», — поясняет другой соавтор, Тошиюки Уэки.

Устойчивая альтернатива

Традиционные нанопровода из кремния или углеродного волокна часто токсичны (углеродные нанотрубки сами по себе канцерогенны), не разлагаются и становятся электронными отходами. Их производство энергоемко и наносит ущерб окружающей среде.

Нанопровода Ловли и Яо, выращиваемые бактериями, представляют собой устойчивую альтернативу. «Мы задаем электротехнике принципиально новое направление, — говорит Яо. — Вместо проводов из дефицитного сырья, которые не разлагаются, красота белковых нанопроводов в том, что можно использовать генетический дизайн жизни для создания стабильной, универсальной, экологичной и экономичной платформы».